HVACダクトサイズ計算

HVACダクトの適切なサイジングは、効率的で快適、かつ静かな強制空気式空調システムを設計するうえで最も重要なステップの一つです。ダクトが小さすぎると空気が高速で押し出され、乱流・騒音・過大な静圧が発生し、送風機モーターに負担がかかります。逆にダクトが大きすぎると材料とスペースを無駄にし、風速が低下しすぎて空気が十分な勢いで吹出口に到達しない可能性があります。目標は、必要な風量（CFM：立方フィート毎分）を目標風速（FPM：フィート毎分）を超えずに供給できるダクト寸法を見つけることです。

CFMとFPMの理解

CFM（立方フィート毎分）は、ダクト内を流れる空気の体積流量です。所定の断面を1分間に通過する空気の体積を表します。住宅用空調システムでは通常、建物全体で400〜2,000 CFMの空気を移動させ、個別の分岐ダクトは1室あたり50〜400 CFMを供給します。総CFMは建物の冷暖房負荷とエアハンドラーまたはファーネスの能力によって決まります。

FPM（フィート毎分）は、ダクト内の平均風速です。風速が高いほど空気の乱流が増し、騒音（特にグリルやレジスターで）が大きくなり、摩擦損失が増大して送風機の負荷が高まります。静かな住宅用システムでは、設計者は給気ダクトで600〜900 FPMを目標とするのが一般的です。商業用や産業用システムでは900〜1,800 FPMが許容されます。還気ダクトは居住エリア付近の騒音を抑えるため、通常は400〜600 FPMを目標に設計されます。

ダクトサイジングの計算式

風量・ダクト断面積・風速の基本的な関係式は、CFM = 断面積（ft²）× FPM です。変形すると、断面積 = CFM ÷ FPM となります。これにより、目標風速を超えずに指定の風量を搬送するためにダクトが持つべき最小断面積が求められます。丸型ダクトの場合、必要直径は円の面積公式から直接導かれます。d = √(4 × A × 144 / π) で、係数144は平方フィートから平方インチへの変換です。

一方の寸法（幅）が利用可能なスペースによって制約されている矩形ダクトの場合、必要な高さは単純に「高さ = （断面積 × 144） ÷ 幅」で求められます。設計者は通常、根太間・壁内空間・その他の構造上の制約に基づいて幅を決め、必要な風量を搬送するために最低限必要な高さを計算します。

丸型ダクトと矩形ダクトの比較

丸型ダクトは、同じ断面積の矩形ダクトよりも空気力学的に効率的です。丸型ダクトは表面積と断面積の比率が低く、空気とダクト壁面の摩擦が少なくなります。同じ風量で同じ単位長さあたりの静圧損失であれば、丸型ダクトは等価な矩形ダクトよりも小型・軽量にできます。丸型ダクトは新築工事で一般的に使用され、特に小屋裏や地下室など空間制約が主要課題でない場所に適しています。

矩形ダクトは、天井高や壁の奥行きが限られる場所（吊り天井の上や床根太の間など）でのリフォームやスペース制約のある施工に実用的です。高さ6インチの矩形ダクトなら、直径10インチの丸型ダクトが収まらない根太間にも設置できます。その代わり、摩擦損失がやや大きく、製作がより複雑になります。丸型と矩形の等価性能でのサイズ変換には、ASHRAEが開発した等価直径の計算式が用いられます。De = 1.3 × (a × b)^0.625 / (a + b)^0.25 で、aとbは二辺の寸法（インチ）です。

等価直径とその重要性

矩形ダクトの等価直径とは、同じ風量で単位長さあたりの圧力損失が同等となる丸型ダクトの直径のことです。これが重要な理由は、ほとんどのダクト摩擦チャートや継手損失係数が丸型ダクト用に公表されているためです。システムに丸型と矩形のセクションが混在する場合、総システム静圧を計算して適切な送風機を選定する前に、すべてのセクションを等価直径に変換する必要があります。

ASHRAEの等価直径計算式は、矩形ダクトの周長対面積比が丸型ダクトよりも不利であることを考慮しています。12インチ × 12インチの正方形ダクト（断面積144平方インチ）の等価直径は約13.1インチであり、同面積の円の直径13.5インチではありません。ダクトがより細長くなると差は大きくなります。24インチ × 6インチのダクト（断面積144平方インチ）の等価直径は約10.8インチにすぎません。

一般的なダクトサイジングの経験則

住宅用では、風速900 FPMの場合に1 CFMあたりダクト断面積1平方インチというのが一般的な出発点です。この風速では、400 CFMの分岐ダクトには約400平方インチ÷144＝2.78平方フィートの断面積が必要で、これは直径約7.2インチの丸型ダクトに相当します。実際には、設計者は最も近い標準ダクトサイズに丸めます。

板金ダクトは住宅用として、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16インチの標準丸型直径で製造されるのが一般的です。フレキシブルダクト（フレキダクト）も同様のサイズがありますが、蛇腹状の内面構造のため摩擦が大きくなります。フレキダクト使用時は、平滑な板金ダクトと比較して約30〜50%高い摩擦損失を補うために、一つ上のサイズを選定することが多いです。

静圧とシステム設計

ダクトのサイジングは、総システム静圧と切り離して考えることはできません。ダクトの各区間、各継手（エルボ、ティー、レデューサー）、各レジスターやグリルが抵抗を加え、送風機はこれらすべてを克服しなければなりません。HVAC設計者は、すべての継手の等価長さを含む最長ダクト経路の総等価長さ（TEL）を計算し、総静圧が送風機の動作範囲内に収まる摩擦率（100フィートあたりの圧力損失）を選定します。

一般的な住宅用システムでは、すべてのダクトを100フィートあたり同じ圧力損失になるように設計する等摩擦法（Equal Friction Method）が十分であることが多く、ほとんどの住宅用ダクトサイジングチャートの基礎となっています。この計算ツールは風量と風速に基づく基本的なダクトサイジングを提供します。完全なシステム設計には、摩擦損失、継手損失、送風機選定の追加計算が通常必要です。